新发现：热传递的第四种方式

通过真空传递能量。...

从中学的物理课堂上，我们了解到热量的传递途径可分为三种：热传导、热对流和热辐射。热传导指的是不同材料通过直接的接触，而进行的热量传递；热对流则多指由气体或液体的运动，引起的热量传递。这两种情况都不会，在真空中发生。但辐射——通过电磁波传递热——则可以在真空中发生，就像太阳辐射出的，能量能温暖地球一样。

然而，一项新的研究通过实验首次证，明了一种能使热量穿过真空的全新机制。在12月12日的《自然》杂志上，完成了这一实验，的物理学家发表论文称：声子可以穿过真空间隙，在量子涨落的影响下，让被真空隔开的物体，之间产生热传递。尽管这种效应只在非常，短的距离内表现明显，但却是对更早的相关，理论预言的一次确凿验证。声子和光子分别是声波和电磁波的能量载体，通过这些能量载体，声波和电磁波就可以通过在物体，之间传递热量。在室温或接近室温的状态下，被介质隔开的物体在声子作用下的传热会比在，光子作用下要快得多；然而当物体被真空间隔，隔开时，我们通常认为声子便，无法再进行热量传递了。因为从本质上看，声子是原子晶格的振动，没有介质也就没有这种振动。

通常情况下，真空能阻隔多数，类型的热量传递，但是量子力学却能让热量，在量子涨落的作用下穿过真空。简单来说，量子涨落是一种即使在真空中，也会发生的粒子和场的扰动，这种涨落是量子力学中海森堡不确定性原理的自然结果。根据不确定性原理，我们无法同时绝对精确地，测量一对物理量（比如粒子的位置和速度）。

量子涨落的存在会对周围物质，产生微妙的影响，从而导致一些能被，观察到的效应——与新研究有关的卡西米尔效应就是其中之一：两个被真空间隙隔开的中性原子对彼此施加，的力就是卡米西尔力，当量子涨落在这些原子中引起，电荷密度波动时，卡西米尔力就产生了；接着，电荷密度会通过它们的，电场产生相互作用。



○ 量子涨落能使热能在真空的，情况下传播。在实验中，研究小组将两个相距几百纳米的镀金氮化硅，薄膜置于真空室中。当他们加热其中一层膜时，另一层也会升温，尽管两层膜之间没有任何连接，且通过它们之间的光能，可以忽略不计。| 图片来源：XIANG ZHANG/UNIV. OF CALIFORNIA, BERKELEY

那么卡西米尔效应是如何让被真空隔开的物体产生声子传输的呢？我们可以设想这样一个场景，有一个与固定热源，保持接触的物体，它的温度被恒定地维持在，一个特定值上。这个物体的原子之间的热扰动会产生声子，这些声子的存在会使物体的表面，产生时变的起伏。

这时，当我们将另一个温度更，低的物体靠近原本的物体时，另一个物体就会受到第一个物体对它，施加的卡西米尔力。因此，第二个物体的表面会，受到拖曳，然后在它的内部也产生声子，这样一来，声子就从第一个物体，传播到了第二个物体。

由于声子是载热体，因此当它们穿过真空空隙从一个物体，传到另一个物体时，就会在卡西米尔效应，的作用下引发热传递。过去已经有理论模型对这种由卡西米尔效应促成，的热传递现象作出过预测，而新的研究则通过实验，直接对这种热传递，模式进行了测量。在实验中，研究人员使用了两层由镀金的，氮化硅制成的薄膜，其直径大约为300微米。研究人员将一层膜冷却，另一层膜加热，被加热的那层膜与一个维持恒定温度，的热源相接触，两层膜之间的温差为25℃左右。他们利用一种名为光学干涉测量法的技术，来观测原子在膜的表面，的热扰动（即布朗运动）。○ 在实验中，两层膜（位于中间的铜板上）被置于一个真空室中，它们的温度和位置被，精确控制。| 图片来源：XIANG ZHANG/UNIV. OF CALIFORNIA, BERKELEY

他们先根据过去的热传递理论模型，估算出当真空间隔，的大小不同时，两层膜之间传递，的热量为多少。他们发现，测量的结果与理论预测，精准相符。也就是说，这项实验为证明卡西米尔效应是可以引起，热传递的提供了决定性证据。

然而，两个物体之间通过这种方法产生的热量传输，是非常受限的，因为卡西米尔力的强度会随着物体之间的真空，间隙的增大而迅速减弱。只有当两个物体之间的距离为，纳米级时，它们之间的卡西米西米尔效应才强大到能产生与其他，传热模式相比比拟的热传递效果。

不过，研究人员找到了一种能放大卡西米尔，传热模式的方法，他们对薄膜进行了精心设计，通过对它们的尺寸，和温度进行控制，使它们能以最大可能，的位移发生振动。如此一来，即使两层薄膜之间的，真空间隔有数百个纳米大，也能显著地产生这种，传热效应。新发现的这种传热模式对于提高纳米级器件的性能具有重大意义，例如在硬盘驱动器中，写头与存储盘之间的距离就，只有几纳米。散热一直是纳米技术中，的一个大问题，很多电子设备中的微型，电路的性能，都受到设备散热速度的限制。如果这种传热模式可以在，通过精心设计之后而被放大，那么将会给纳米技术带来一次不可估量的，质的飞跃。然而在那一天到来之前，研究人员还将面临许多挑战。

封面图来源：XIANG ZHANG/UNIV. OF CALIFORNIA, BERKELEY

参考来源：

https://doi.org/10.1038%2Fs41586-019-1800-4

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03729-4

https://www.sciencenews.org/article/quantum-jitter-lets-heat-travel-across-vacuum

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